超声波风速风向仪在GE1.5MW风机上的应用

李红

摘 要：国华辉腾梁风电场的GE1.5MW风机机械式风速风向仪存在有自身缺陷、精度误差大、备品备件缺乏等问题，根据市场调查后，选择3台GE风机作为样机，将原机械式风速风向仪更换为超声波风速风向仪，文章详细介绍了更换过程的具体操作措施，跟踪观察风机功率曲线变化情况后进行了经济效益与社会效益的分析说明。

关键词：风机；风速风向仪；超声波；效益

1 背景

国华辉腾梁风电场GE风机单机容量1.5MW，总装机容量为4.95万kW，都采用NRG ITEM#3445机械式风速风向仪来完成风速、风向的测量工作。机械式风速风向仪结构简单、价格低廉，风速、风向相互独立，其中一个损坏后，只需更换一个即可，无需全部更换。然而机械式风速风向仪除了以上优点，其缺点却更加引起我们的关注。

（1）自身缺陷，導致直接经济损失。由于机械式风速风向仪依靠轴承的转动采集数据，在风沙扬尘或者腐蚀性的沿海场合，轴承会由于异物及腐蚀引起卡转，其使用寿命不会超过1年。即使在环境相对良好的环境，轴承旋转引起的摩擦阻力变大，导致测量数据的累积误差也会越来越大，无法保证数据的可靠性，在辉腾梁每年风速仪的损耗大概在10个左右，风速仪单价为5100元，合计一年风速仪采购费用约为5.1万元，同时因故障停机时间、检修时间而产生的电量损失也不可小觑。

（2）精度误差大，累计成本损失或安全问题。风速风向仪是风机的眼睛和耳朵，在低风速时，如果风速不准，会引起发电效率低，累积发电量少；在高风速时，风速不准引起叶片变桨角度偏差，导致叶片表面承受的风压超出设计范围，影响叶片的寿命甚至损坏，同时高风速时，如果风速存在较大偏差，导致风机不能及时切出，将引起风机超速甚至倒机，严重威胁着风机的生产运营。机械式风向标由于分辨率低，导致风机的截风面积变小，影响着风机的风能吸收，并且其频繁偏航，加剧偏航电机、编码器、轴承等机械部件的磨损，增加了运营成本。

（3）公司使用的NRG ITEM#3445机械式风速风向仪已经停产，公司也逐步面临备件更换的局面。然而，现市场上主流也是稳定性和可靠性优于机械式风速风向仪的产品便是超声波风速风向仪，它依靠声波在空气中传播，来测量风速风向，测量精度高；由于没有机械旋转部件，其寿命通常在3年、甚至5年以上且免维护，同时其测量精度和误差是可信和稳定的。正是由于超声波风速风向仪的以上优点，现在越来越多的整机厂都在使用超声波风速风向仪。

2 具体改进措施

选择分布在三个方向3台GE风机作为样机，将原机械式风速风向仪更换为超声波风速风向仪，具体操作如下：

（1）机械安装：为了减少安装工作量，在原有的支架上加装安装附件来固定超声波风速风向仪。

（2）电源问题：超声波风速风向仪选用型号为DC 8-78V/AC 12-55V，连接方法采用的是接控制系统的AC24V300VA变压器（原为NRG的加热电源），转换模块电源为DC24V，连接方法亦采用的是接控制系统的DC24V。

（3）信号匹配问题：a.系统采集的风速信号类型为频率（HZ）；b.系统采集的风向信号类型为4位数字码。

（4）工作原理：超声波测量信号通过RS-485通讯接口与转换模块连接，转换模块通过程序控制、电路逻辑运算最终将风速信号与风向信号传送给风机的控制系统，如图1所示。

（5）超声波风速风向仪替换NRG示意图如图2所示。

3 效益分析说明

（1）安装完成后，跟踪观察这三台风机功率曲线变化情况，对比分析结果：a.风机的功率曲线与往年同期相比，会有明显优化；b.超声波寿命远高于机械式，降低了备件的采购成本；c.超声波风速风向仪的免维护特性，提高了风机的有效运营时间；d.超声波风速风向仪的高精度、低误差的特点，降低了机械部件的磨损，延长了叶片等设备的使用寿命。

（2）经费预算：本次改造3台GE风机，超声波风速风向仪15米电缆（含航空插头）单个约20000元，共计60000元；转换模块（含安装盒）单个约600元，共计1800元；支架安装附件（加厚不锈钢）单个约400元，共计1200元；安装费用，单台约3000元，共计9000元；综上合计共72000元。

（3）经济效益与社会效益。a.以辉腾梁风电场一期suzlon风机（已使用超声波风速风向仪7年）作为参考，在7年时间里超声波风速风向仪损坏2个（其中一个因遭雷击损坏），以此计算，预计未来10年时间里，可节约备件采购成本50万元，减少因风机故障时间引起的损失50万元，合计节约成本100万元。b.根据厂家提供的历史数据，当风速在8m/s-12m/s间，使用超声波风速风向仪的风机功率较机械式风速风向仪的风机高出20-40kW，依据以往二期风机可利用小时1333计算，单台风机一年大约可提高发电收入1万元。